PENGARUH VARIASI MILLING TIME dan TEMPERATUR KALSINASI pada MEKANISME DOPING 5%wt AL NANOMATERIAL TiO 2 HASIL PROSES MECHANICAL MILLING

Transkripsi

1 PENGARUH VARIASI MILLING TIME dan TEMPERATUR KALSINASI pada MEKANISME DOPING 5%wt AL NANOMATERIAL TiO 2 HASIL PROSES MECHANICAL MILLING I Dewa Gede Panca Suwirta Dosen Pembimbing Hariyati Purwaningsih, S.Si, M.Si

2 BAB I PENDAHULUAN

3 Latar Belakang Populasi Meningkat Pencemaran Lingkungan Keracunan gas berbahaya Sensor gas berbahaya berbasis TiO 2 TiO 2 doped 5%wt Al Mechanical Milling + Sintering

4 Rumusan Masalah Bagaimana mekanisme doping 5 wt.% Al terhadap pembentukan jenis pembawa muatan material sensor TiO 2? Bagaimana pengaruh variasi milling time terhadap sintesa pembentukan nanomaterial TiO 2 doping 5wt % Al? Bagaimana pengaruh temperatur sintering terhadap pada sintesa nanomaterial TiO 2 doping 5wt % Al?

5 Batasan Masalah Batasan Masalah

6 Tujuan Penelitian Mengetahui mekanisme doping 5 wt.% Al terhadap pembentukan jenis pembawa muatan material sensor TiO 2. Mengetahui pengaruh variasi milling time terhadap sintesa pembentukan nanomaterial TiO 2 doping 5wt % Al. Mengetahui pengaruh temperatur sintering terhadap pada sintesa nanomaterial TiO 2 doping 5wt % Al

7 Manfaat Penelitian Memberikan data dan analisa awal sebagai dasar untuk mengembangkan produk inovasi material TiO 2 sebagai sensor gas beracun dengan metode Mechanical Milling. Memberikan konstribusi nyata terhadap kesehatan dan keselamatan masyarakat melalui penanggulangan dampak gas berbahaya.

8 BAB II TINJAUAN PUSTAKA

9 Sensor adalah alat untuk mendeteksi/mengukur sesuatu, yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan secara elektronik berfungsi mengubah besaran fisik (misalnya: temperatur, gaya, kecepatan putaran) maupun besaran kimia (misalnya gas dan ledakan) menjadi besaran listrik yang proposional. Prinsip kerja sensor gas dapat diukur melalui perbedaan resistansi (tahanan) antara sebelum dan sesudah dipapar dengan sampel gas (pada umumnya menggunakan gas beracun), sehingga gas akan teradsorpsi atau menempel pada permukaan sensor

10 Prinsip Chemisorpsi Reaksi yang terjadi dipermukaan TiO 2 adalah reaksi oksidasi-reduksi (redoks) Secara umum reaksi yang terjadi adalah: Oksidasi: 1/2 O 2 g + e - O ad- Reduksi: CO + O ad- CO 2 g + proses adsorpsi oksigen (O 2 ) terjadi, adanya adsorpsi oksigen tersebut menyebabkan terjadinya ekstraksi elektron pada pita konduksi oleh O 2 sehingga menjadi O 2-. O 2- atau O ad- adalah radikal bebas yang aktif berikatan dengan gas disekitarnya, kemudian ketika gas CO masuk terjadi proses adsorpsi dipermukaan TiO 2 dimana terdapat O 2- sehingga proses yang terjadi adalah reaksi pembentukan CO 2, terakhir CO 2 terdesorpsi dari permukaan TiO 2 diikuti difusi elektron kembali ke permukaan TiO 2. Adanya perubahan konduktivitas atau nilai resistansi tersebut dikarenakan perubahan atau perpindahan elektron-elektron valensi pada atom-atom lapisan sensor akibat adanya reaksi dengan gas-gas reaktan(hiskia.2006)

11 Semikonduktor TiO2 tergolong logam oksida transisi yang mana merupakan semikonduktor. Dengan adanya penambahan unsur dopan Al akan menjadikannya tergolong semikonduktor ekstrinsik tipe-p.

12 Cacat pada kristal Cacat Stoikiometrik adalah cacat yang terjadi tanpa menyebabkan perubahan komposisi kimiawi kristal (rasio kation-anion tetap). Sebagai contoh dalam cacat ini adalah cacat Schottky (vakansi) dan cacat Frenkel (interstisi). Cacat non-stoikiometrik adalah cacat yang terbentuk karena penambahan atau pengurangan(perubahan) pada komposisi kristal, misalnya cacat akibat reaksi oksidasi atau reduksi. Cacat Ekstrinsik adalah cacat yang terjadi karena kehadiran impuritas (pengotor) dalam kristal induk, misalnya cacat akibat doping AL pada TiO2.

13 Karakteristik TiO 2 TiO 2 memiliki tiga struktur yaitu rutile, anatase dan brukit. Secara umum fasa anatase cenderung lebih dipilih untuk mereduksi lingkungan sebagai sensor CO. Besar band gap yang dimiliki pun menjadi berbeda, pada anatase besar celah energinya adalah 3,2 ev sedangkan rutile 3,1 ev

14 Tabel karakteristik TiO2

15 Karakteristik Aluminium Sensitivitas sensor TiO 2 dapat ditingkatkan dengan adanya penambahan unsur dopan, misalnya penambahan unsur trivalen Al.(K Hatta.1996). Dampak yang sangat penting dengan adanya penambahan dopan pada TiO 2 adalah untuk meningkatkan konduktivitas, menurunkan kecepatan transformasi fasa dari anatase ke rutile, Aluminium berwarna putih keperakan, mempunyai titik lebur 659,7 o C dan titik didih o C, serta berat jenisnya 2,699 gr.cm -3 (pada temperatur 20 o C). Termasuk dalam kelompok Boron dalam unsur kimia (Al-13) dengan massa jenis 2,7 gr.cm -3. Karena jari jari ionik antara Al dan Ti yang hampir sama(0.074 nm untuk Ti 4+ dan nm untuk Al 3+ ), Al dapat menggantikan posisi kation regular, dan membentuk larutan padat substitusional. dan menurunkan pertumbuhan butir.

16 Mechanicall Milling

17 Mechanical Milling Mechanical Milling Mechanical Milling dapat meningkatkan 1. luas permukaan 2.formasi struktur mikro/makro 3.penyusunan defect pada permukaan dan di dalam struktur kristal material.

18 Penelitian sebelumnya Young Jin Choi,dkk pada tahun 2007, yang mana telah berhasil mensintesa nano powder TiO2 doping Al untuk aplikasi gas sensor dengan metode citrate-nitrate auto combustion. Variasi yang dilakukan adalah komposisi dopan (0, 5, 7.5 %wt Al) dan temperatur kalsinasi (700, 800, 900 C). Adanya penambahan doping berupa Al sebanyak 5%wt tidak memberikan dampak yang signifikan pada fasa anatasenya. Dengan adanya peningkatan temperatur kalsinasi,baik itu ukuran parikel dan ukuran kristal juga mengalami peningkatan. Pada temperatur kalsinasi yang konstan, terjadi peningkatan nilai ukuran partikel dan ukuran kristal untuk jumlah dopan 5%wt Al yang kemudian disusul oleh penambahan 7.5%wt Al.

19 BAB III METODELOGI PENELITIAN

20 Diagram Alir Penelitian

21 Alat Modification Horizontal Ball Mill Muffle Furnace Alat Kompaksi

22 Bahan Serbuk TiO2 sebanyak 11.4 gram Serbuk Aluminium sebanyak 11.4 gram

23 SEM/EDX Memanfaatkan hamburan balik elektron (BSE dan SE) untuk menampilkan gambar sampel dengan perbesaran kali Analisis topografi permukaan, bentuk, ukuran partikel dan komposisi unsur setelah proses milling dan sintering

24 XRD Pembiasan sinar X oleh bidang kristal sampel yang kemudian ditangkap detektor. Kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Analisis transormasi fasa, ukuran dan struktur kristal setelah proses milling dan sintering

25 TGA Analisa TGA dilakukan pada sampel untuk menentukan perubahan bobot dalam kaitannya dengan perubahan suhu. Perubahan, fasa, peristiwa thermal

26 BET Analysis Analisa luas permukaan dari volume gas yang terserap ke permukaan. BET bertujuan untuk menjelaskan adsorpsi fisik molekul gas pada permukaan yang solid, serta mengetahui besar luas permukaan aktif pada suatu sampel (m 2 /g).

27 BAB IV HASIL dan PEMBAHASAN

28 XRD (milling) Dengan milling time 50 jam mampu mereduksi fasa TiO2 Rutile yang awalnya sudah terlihat dari raw material. Proses Milling berpengaruh pada pergeseran sudut difraksi, penurunan intensitas dan pelebaran FWHM puncak tertinggi Anatase a) Waktu milling 0 jam b) Waktu milling 30 jam c) Waktu milling 50 jam

29 XRD(milling) Single Peak Analysis dan Profile Fitting. Perubahan posisi sudut difraksi (2-theta) dan nilai d-spacing dapat dijadikan indikasi masuknya Al pada struktur kristal TiO2 anatase secara subtitusi. (Y.J. Choi tahun 2007 dan Tokmakci tahun 2013)

30 XRD(sintering) Terjadi transformasi Al menjadi Al2O3 MILLING 0 JAM MILLING 50 JAM MILLING 30 JAM a) Waktu sintering 700 b) Waktu sintering 800 c) Waktu sintering 900

31 XRD(sintering) Terjadi perubahan Sudut difraksi dan besar d-spacing dengan adanya perubahan temperatur sebagai indikasi bahwa sintering berpengaruh ke adanya difusi Al ke dalam kristal TiO2. Ukuran kristal yang meningkat dengan adanya peningkatan temperatur (y.j Choi). Nilai FWHM yang mengecil yang menandakan makin sempurnanya kristal yang terbentuk.

32 SEM(milling) a. b. c. Morfologi serbuk TiO 2 dengan penambahan 5wt% Al perbesaran 2000 X, a) Dengan milling 0 jam; b) Mechanical Milling selama 30 jam; c) Mechanical Milling selama 50 jam Ukuran serbuk TiO 2 ± 75µm dan ukuran serbuk aluminium berkisar ± 70µm milling 0jam Reduksi dengan milling 30 jam, ukuran serbuk TiO 2 yang masing-masingnya rata-rata berukuran ± 47 µm untuk serbuk aluminium dan ± 40 µm untuk serbuk TiO 2 Dengan milling selama 50 jam, serbuk TiO 2 tereduksi sehingga ukurannya menjadi ± 25µm, lain halnya dengan serbuk aluminum yang malah bertambah besar ukurannya menjadi ± 51 µm

33 SEM(sintering) a. b. c. Morfologi pelet TiO 2 dengan waktu milling 0 jam dengan perbesaran gambar X yang disintering pada a) C; b) C dan c) C

34 SEM(sintering) a. b. c. Morfologi pelet TiO 2 dengan waktu milling 30 jam dengan perbesaran gambar X yang disintering pada a) C; b) C dan c) C

35 SEM(sintering) a. b. c. Morfologi pelet TiO 2 dengan waktu milling 50 jam dengan perbesaran gambar X yang disintering pada a) C; b) C dan c) C

36 TGA Perbandingan Grafik TGA sampel dengan temperature sintering C dengan variasi milling time a)0 jam ;b) 30 jam; c) 50 jam Pada kisaran temperature 25 0 C C untuk sampel dengan milling 0 jam terjadi pengurangan berat sebesar %dari masa total sampel. Pada kisaran C C terjadi kenaikan masa sebesar % dari masa total sampel. Untuk sampel dengan waktu milling 30 jam terjadi pengurangan berat sampel sebesar % dari masa total pada 25 o C -139 o C. Sedangkan pada kisaran temperature 139 o C -800 o C terjadi penambahan masa sebesar % dari masa awal sampel. Sedangkan untuk sampel dengan waktu milling 50 jam terjadi pengurangan masa sampel sebesar % dari masa awal sampel pada range 25 o C -163 o C. Pada kisaran temperature 163 o C -800 o C terdapat peningkatan masa sampel sebesar % dari masa awal.

37 TGA Perbandingan Grafik TGA sampel dengan milling time 50 jam dengan variasi temperature sintering a)700 0 C ;b) C; c) C temperature sintering 700 mengakibatkan penurunan masa sampel sebesar % dari masa awal sampel pada range 25 o C -163 o C. Pada kisaran temperature 163 o C -800 o C terdapat peningkatan masa sampel sebesar % dari masa awal sampel. Untuk sampel yang mendapat temperature sintering 800 o C terlihat adanya pengurangan masa sampel pada kisaran temperature 25 o C -222 o C sebesar 0.285% dari masa awal sampel. Dan mulainya adanya penambahan masa sampel pada kisaran 222 o C -800 o C yang sebesar % dari masa sampel awal. Pada sampel sintering 900 terjadi penurunan masa sampel sebesar % dari masa awal sampel pada kisaran temperature 25 o C -175 o C. Sedangkan mulai adanya penambahan masa untuk temperature setelahnya hingga penambahan masanya berubah sebesar % dari masa awal sampel hingga temperature 800 o C.

38 BET Sampel Temperatur Sintering BET Surface Area (m 2 /g) Milling time 0 jam Milling time 30 jam Milling time 50 jam C Temperature Sampel Milling Time BET Surface Area (m 2 /g) C C C 50 jam

39 Kesimpulan Proses mechanical milling hingga 50 jam mampu menyebabkan reduksi ukuran partikel dari ukuran awalnya untuk TiO 2 sebesar 75 µm menjadi 25 µm dan untuk serbuk Al dari 70 µm menjadi 51 µm. Proses Mechanical milling telah mampu menyebabkan Al masuk ke dalam kristal TiO 2 Anatase, tetapi tidak semua ion Al 3+ bisa mensubtitusi posisi kation Ti 4+ karena masih ditemukannya fasa Al yang masih berdiri sendiri setelah proses milling maupun setelah sintering. Peningkatan temperature sintering menyebabkan difusi Al ke sistem kristal TiO 2 pada sampel dengan waktu milling 50 jam. Luas permukaan aktif terbesar bisa diperoleh dengan proses milling selama 50 jam dan sintering pada temperature C. Proses Sintering hingga C menyebabkan perubahan TiO 2 Anatase menjadi TiO 2 Rutile dan juga menyebabkan transformasi unsur Al yang belum terdifusi ke kristal TiO 2 menjadi Al 2 O 3.

40 Saran Disarankan untuk menggunakan ball mill yang memiliki energy milling yang lebih tinggi seperti Planetary Ball Mill dan High Energy Miling. Hal ini dikarenakan ukuran serbuk yang dihasilkan tidak tereduksi secara signifikan dan persentase berat doping Al tidak sepenuhnya masuk ke system kristal TiO 2.

41 TERIMAKASIH